G5-Ej.4

[!infobox] Teorema: Intersección de Cantor Generalizada Contexto: Espacios Métricos (E,d)(E, d). Enunciado: EE es compacto   ⟺  \iff Toda sucesión decreciente de cerrados no vacíos tiene intersección no vacía. Notación: Decreciente significa F1⊇F2⊇F3…F_1 \supseteq F_2 \supseteq F_3 \dots (o Fn+1⊆FnF_{n+1} \subseteq F_n).

Demostración

Parte 1: (  ⟹  )(\implies) Compacto implica Intersección

Hipótesis: EE es compacto. Datos: Sea (Fn)n≥1(F_n)_{n \ge 1} una sucesión de cerrados tal que Fn≠∅F_n \neq \emptyset y Fn+1⊆FnF_{n+1} \subseteq F_n. Objetivo: Probar que ∃x∈⋂n≥1Fn\exists x \in \bigcap_{n \ge 1} F_n.

Paso 1: Construcción de una sucesión "testigo" Como cada conjunto FnF_n no es vacío, podemos elegir un punto xnx_n dentro de cada uno.

xn∈Fn∀n∈Nx_n \in F_n \quad \forall n \in \mathbb{N}

Obtenemos así una sucesión (xn)n∈N(x_n)_{n \in \mathbb{N}} en EE.

Paso 2: Uso de la compacidad Como EE es compacto (secuencialmente), la sucesión (xn)(x_n) admite una subsucesión convergente.

∃(xnk)⊆(xn)tal quexnk⟶x∈E\exists (x_{n_k}) \subseteq (x_n) \quad \text{tal que} \quad x_{n_k} \longrightarrow x \in E

Paso 3: El límite está en la intersección Queremos ver que xx pertenece a todos los conjuntos FmF_m. Fijemos un índice arbitrario m∈Nm \in \mathbb{N}.

  • La subsucesión de índices nkn_k es creciente. Por lo tanto, existe un K0K_0 tal que para todo k≥K0k \ge K_0, tenemos nk≥mn_k \ge m.
  • Como la familia de conjuntos es decreciente (Fnk⊆FmF_{n_k} \subseteq F_m si nk≥mn_k \ge m), esto implica que:
xnk∈Fnk⊆Fmpara todo k suficientemente grandex_{n_k} \in F_{n_k} \subseteq F_m \quad \text{para todo } k \text{ suficientemente grande}

Ahora tenemos una subsucesión (xnk)(x_{n_k}) contenida (a partir de cierto punto) en FmF_m, que converge a xx. Como FmF_m es un conjunto cerrado, contiene a todos sus puntos límite.

  ⟹  x∈Fm\implies x \in F_m

Como esto vale para cualquier mm arbitrario:

x∈⋂m≥1Fm  ⟹  La interseccioˊn no es vacıˊa.x \in \bigcap_{m \ge 1} F_m \implies \text{La intersección no es vacía.}

Parte 2: (⟸)(\Longleftarrow) Intersección implica Compacto

Hipótesis: Toda sucesión decreciente de cerrados no vacíos tiene intersección no vacía. Objetivo: Probar que EE es secuencialmente compacto (toda sucesión tiene subsucesión convergente).

Paso 1: Preparar la sucesión Sea (xn)n∈N(x_n)_{n \in \mathbb{N}} una sucesión arbitraria en EE. Queremos encontrar un punto de acumulación (para extraer la subsucesión).

Paso 2: Construcción de "Colas Cerradas" Definimos los conjuntos AnA_n como la "cola" de la sucesión a partir de nn:

An={xk:k≥n}={xn,xn+1,… }A_n = \{ x_k : k \ge n \} = \{ x_n, x_{n+1}, \dots \}

Y definimos FnF_n como la clausura (cierre) de esa cola:

Fn=An‾F_n = \overline{A_n}

Paso 3: Verificar hipótesis

  1. No vacíos: AnA_n tiene puntos, luego su clausura FnF_n también.
  2. Cerrados: Por definición de clausura, FnF_n es cerrado.
  3. Decrecientes: Claramente An+1⊆AnA_{n+1} \subseteq A_n (tiene un punto menos). Al tomar clausuras, la contención se mantiene: Fn+1⊆FnF_{n+1} \subseteq F_n.

Paso 4: Aplicar la propiedad de intersección Por hipótesis, la intersección de estos cerrados no es vacía.

∃x∈⋂n≥1Fn\exists x \in \bigcap_{n \ge 1} F_n

Paso 5: Extraer la subsucesión ¿Qué significa que x∈An‾x \in \overline{A_n} para todo nn? Significa que xx está arbitrariamente cerca de la cola de la sucesión.

  • Para n=1n=1, x∈{x1,… }‾x \in \overline{\{x_1, \dots\}}. Existe n1≥1n_1 \ge 1 tal que d(xn1,x)<1d(x_{n_1}, x) < 1.
  • Para n=n1+1n=n_1+1, x∈{xn1+1,… }‾x \in \overline{\{x_{n_1+1}, \dots\}}. Existe n2>n1n_2 > n_1 tal que d(xn2,x)<1/2d(x_{n_2}, x) < 1/2.
  • En general, podemos elegir nk+1>nkn_{k+1} > n_k tal que d(xnk+1,x)<1/(k+1)d(x_{n_{k+1}}, x) < 1/(k+1).

Esto construye una subsucesión (xnk)(x_{n_k}) que converge a xx. ∴E\therefore E es compacto.

[!done] Q.E.D.


[!math|proof] Formalización: Construcción de la Subsucesión Convergente Contexto: Tenemos un punto x∈⋂n≥1An‾x \in \bigcap_{n \ge 1} \overline{A_n}, donde An={xk:k≥n}A_n = \{ x_k : k \ge n \}. Objetivo: Construir una subsucesión (xnk)(x_{n_k}) tal que nk+1>nkn_{k+1} > n_k y xnk→xx_{n_k} \to x. Herramienta: Caracterización métrica de la clausura:

y∈S‾  ⟺  ∀ϵ>0,∃s∈S tal que d(y,s)<ϵy \in \overline{S} \iff \forall \epsilon > 0, \exists s \in S \text{ tal que } d(y, s) < \epsilon

Paso Base (Elección de n1n_1): Tomamos ϵ1=1\epsilon_1 = 1. Sabemos que x∈A1‾x \in \overline{A_1}. Por la definición de clausura, existe al menos un elemento dentro del conjunto A1A_1 que está a distancia menor que 1 de xx. Como A1={x1,x2,… }A_1 = \{ x_1, x_2, \dots \}, ese elemento es algún término xn1x_{n_1} con n1≥1n_1 \ge 1.

d(xn1,x)<1d(x_{n_1}, x) < 1

Paso Inductivo (Elección de nk+1n_{k+1}): Supongamos que ya hemos elegido los índices n1<n2<⋯<nkn_1 < n_2 < \dots < n_k tales que d(xnj,x)<1/jd(x_{n_j}, x) < 1/j. Necesitamos encontrar el siguiente índice nk+1n_{k+1} que cumpla dos condiciones:

  1. Ser estrictamente mayor que el anterior (nk+1>nkn_{k+1} > n_k).
  2. Estar más cerca de xx (d<1k+1d < \frac{1}{k+1}).

Consideramos el conjunto "cola" que empieza después de nuestro último índice elegido:

Ank+1={xm:m≥nk+1}A_{n_k + 1} = \{ x_m : m \ge n_k + 1 \}

Por la hipótesis del teorema, sabemos que xx pertenece a la clausura de todas las colas, en particular a esta:

x∈Ank+1‾x \in \overline{A_{n_k + 1}}

Tomamos ϵk+1=1k+1\epsilon_{k+1} = \frac{1}{k+1}. Por definición de clausura aplicada al conjunto Ank+1A_{n_k+1}, existe un elemento y∈Ank+1y \in A_{n_k + 1} tal que:

d(y,x)<1k+1d(y, x) < \frac{1}{k+1}

Como y∈Ank+1y \in A_{n_k + 1}, por definición de este conjunto, yy debe ser un término de la sucesión original, digamos xidxx_{idx}, con un índice idx≥nk+1idx \ge n_k + 1. Definimos nuestro nuevo índice como nk+1:=idxn_{k+1} := idx.

Esto garantiza automáticamente que:

  1. nk+1≥nk+1>nkn_{k+1} \ge n_k + 1 > n_k (Creciente).
  2. d(xnk+1,x)<1k+1d(x_{n_{k+1}}, x) < \frac{1}{k+1} (Convergente).

Conclusión de Convergencia: Hemos construido una subsucesión (xnk)k∈N(x_{n_k})_{k \in \mathbb{N}} tal que para todo kk:

0≤d(xnk,x)<1k0 \le d(x_{n_k}, x) < \frac{1}{k}

Tomando límite cuando k→∞k \to \infty, por el Teorema del Sándwich (Encaje), la distancia tiende a 0.

lim⁡k→∞xnk=x\lim_{k \to \infty} x_{n_k} = x

∴\therefore Hemos encontrado una subsucesión convergente.